使用触敏拉姆波的声触装置和方法
【技术领域】
[0001]本文中讨论的实施方案总地涉及使用拉姆波来检测触摸事件和触摸位置的触摸传感器。
【背景技术】
[0002]触摸传感器系统，如与显示屏一起使用来形成触摸显示的那些，可以作为交互式计算机系统的输入设备。这样的系统还可以用于如信息亭、计算机、餐厅的定单输入系统、视频显示或信号、移动设备等这样的应用。通过将触摸传感器系统整合至计算设备中，计算机可以给使用者提供直观的、交互式人-机界面。
[0003]在商业上，触摸设备的装饰性外观和工业设计以及此类设备的成本、耐用性和可靠性变得愈加重要。然而，为提供这样的功能性而采用的组成部件、物理学和其他科学原理常常阻止乃至破坏所需的特定特征或特征的组合。
【发明内容】
[0004]通过应用的努力、巧妙的设计和利用出乎预料的结果的创新，通过研发本发明实施方案中包括的解决方法，已经解决了现有触摸传感器系统的许多已知问题，本文中描述了其中的一些实施例。
[0005]总地提供了使得触摸传感器能够使用高灵敏度拉姆波的系统、装置和相关方法。在一个示例性实施例中，安装在基底背面的发送换能器可以激发产生与基底背面耦合的(传送)表面声波信号。基底背面上的模式变换阵列可以用于将表面声波相干地散射至近-纵向-共振拉姆波中，其通过基底的触摸区(例如，正面)传播，使用者可以在该触摸区触摸基底，并且由此与触摸传感器系统相互作用并且影响相连的计算机系统中的变化。基底背面的第二个模式变换阵列可以用于将近-纵向-共振拉姆波，或触摸事件中得到的近-纵向-共振拉姆波转换成与基底背面耦合的(返回)表面声波并且可以通过安装在基底背面上的接收换能器来检测。通过接收换能器接收的信号可以提供给加工设备，用于触摸事件和触摸位置的检测，该信息可以被相连的计算机系统使用。
[0006]例如，一些实施方案可以包括触摸装置，其包括基底。所述基底可以具有正面和背面，所述正面具有触摸区。触摸装置可以用于在背面的至少一部分上传播表面声波以及在基底触摸区的至少一部分中传播近-纵向-共振拉姆波。
[0007]在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以以相速度Vp通过触摸区传播，表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播，并且V P可以是V SAW的至少约三倍。在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以以工作频率Zffi过触摸区；基底可以具有体积压力波速度(bulk pressure wave velovity) Vlqng和厚度 d，并且 d 可以大于(M/2) * (V _；//)且小于(5/4).(m/2).(V.//)，其中 m 是正整数。
[0008]一些实施方案可以提供包括一个或多个模式转换阵列的触摸装置。例如，模式转换阵列可以放置在触摸区外的基底的背面上。模式转换阵列可以用于将沿着模式转换阵列长度的第一方向传播的表面声波相干地散射至以第二方向通过触摸区传播的近-纵向-共振拉姆波中。
[0009]在一些实施方案中，模式转换阵列可以包括沿着第一方向放置的多个反射器元件。多个反射器元件可以从玻璃粉、陶瓷、装载的聚合物和蚀刻的沟槽中的至少一种形成。在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以以相速度Vp通过触摸区传播；表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播；第一方向和第二方向可以限定散射角Φ ;模式转换阵列可以包括多个沿着第一方向放置的反射器元件，多个反射器元件中的每个反射器元件以相对于第一方向的反射器角〃放置；并且C0S( Θ )/VSAW = cos ( θ - φ)/νρ。在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以以工作频率Zffi过触摸区；并且可以通过S = n*(Vsaw//)/(l-(VSAw/Vp)*cos(?))给出沿着第一方向的多个反射器元件中的两个连续反射器元件之间的距离S，其中η是整数。例如，散射角Φ可以是90°。
[0010]在一些实施方案中，模式转换阵列可以通过用于降低表面声波从基底背面到基底正面的振动的声音有益层结合基底的背面。
[0011]—些实施方案可以提供用于最小化分散的触摸传感器。例如，触摸传感器可以包括一个或多个换能器和控制器。换能器可以放置在基底的背面并用于产生表面声波。控制器可以用于产生激发信号，其具有驱动换能器的工作频率/。激发信号可以包括围绕工作频率/?勺频率扩展Δ /。近-纵向-共振拉姆波可以以具有频率扩展Δ/β勺工作频率Ζ?过基底的触摸区传播。
[0012]在一些实施方案中，控制器可以进一步用于抵抗激发信号分散，具有用于补偿由近-纵向共振拉姆波以频率扩展△ Zffi过基底传播引起的近-纵向-共振拉姆波的分散的频率依赖性相位误差。例如，近-纵向-共振拉姆波可以以群速度ν\ΑΜΒ通过基底传播，所述群速度根据不同的工作频率而改变；并且工作频率/?:以接近作为不同频率的函数的群速度拐点。另外地和/或替换地，群速度￥\_在频率扩展△ Zrt可以具有低的频率依赖性。
[0013]在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以通过触摸区传播距离L ;近-纵向-共振拉姆波可以以群速度V\AMB传播；表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播；触摸区中的基底正面上的触摸可以限定距离AX;并且(VSAW/V\AMB)*|d(ln(V\AMB)/d(ln(f)) |可以小于或等于2* ( Δ X/L) /(//△/)。在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以通过触摸区传播距离L ;近-纵向-共振拉姆波可以以群速度￥\_传播；表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播；并且(VSAW/V\AMB)*|d(ln(V\AMB)/d(ln(f)) |可以小于4或等于4。
[0014]在一些实施方案中，基底可以具有厚度d;触摸装置可以具有工作频率/;并且基底可以用于在高于9.00兆赫-毫米和低于(5/4) *9.00兆赫-毫米的频率-厚度乘积押d下传播近-纵向-共振拉姆波。
[0015]—些实施方案可以提供用于促进无边(bezel-less)设计和其他装饰性优势的触摸装置。例如，触摸装置可以包括放置在基底背面上的安装带，其限定了基底正面触摸区外的基底背面的安装带外围区。将安装带连接显示设备时，安装带可以用于保护放置在安装带外围区内的背面上的至少一个换能器和至少一个模式转换阵列免受污染。
[0016]在一些实施方案中，正面和背面之间的基底的连接部分可以基本上是平面的。例如，连接部分可以是平的。在其他实施方案中，连接部分实际上可以是任何形状的并且可以基本上是非平面的。
[0017]在一些实施方案中，触摸装置可以包括盖板。盖板可以放置在基底的正面并且用于接收减弱基底触摸区的至少一部分中的近-纵向-共振拉姆波的触摸。在一些实施方案中，盖板可以包括正面、背面和放置在背面上的不透明涂层，不透明涂层限定了盖板背面的不透明外围区；以及放置在基底正面和不透明涂层之间的周界粘结材料，周界粘结用于将盖板粘附于基底。
[0018]在一些实施方案中，基底的周界边缘可以是非线性的。例如，周界边缘可以是图、有角度的等。在一些实施方案中，触摸装置可以进一步包括放置在触摸区外的基底背面和/或正面的图解。
[0019]触摸装置的一些实施方案可以使用高灵敏度拉姆波提供冗余触摸确定和/或触摸确定的特征。例如，触摸装置可以用于在基底的触摸区中传播近-剪切-共振拉姆波。在一些实施方案中，触摸装置可以进一步包括用于冗余地确定触摸区内的触摸位置的控制器，所述确定是基于表示近-纵向-共振拉姆波的第一衰减和触摸区中由触摸引起的近-剪切-共振拉姆波的第二衰减的电反馈信号。例如，控制器可以用于比较第一衰减的规模和第二衰减的规模。
[0020]一些实施方案可以提供一种检测声触装置上的触摸位置的方法。例如，该方法可以包括:产生电激发信号；将电激发信号传送至放置在基底背面上的发送换能器，所述发送换能器用于将电激发信号转换成声波，其作为表面声波与基底耦合；从放置在基底背面上的接收换能器接收电反馈信号，所述接收换能器用于将声波转换成电反馈信号，其中电反馈信号表示包括从基底正面上的触摸产生的衰减同时作为近-纵向-共振拉姆波通过基底触摸区传播的声波；和基于电反馈信号确定触摸的位置。
[0021]在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以以相速度Vp通过触摸区传播；表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播；并且V P可以是V SAW的至少约三倍。在一些实施方案中，产生电激发信号可以包括产生具有工作频率电激发信号；近-纵向-共振拉姆波可以以工作频率Zffi过触摸区；基底可以具有体积压力波速度Vum^S底的背面和正面可以由厚度d隔开；并且d可以大于(m/2)*(Vlong//)且小于(5/4).(m/2).(V.//)，其中m是正整数。
[0022]在一些实施方案中，基底可以包括触摸区外的基底背面上的模式转换阵列。模式转换阵列可以用于随着表面声波以沿着模式转换阵列长度的第一方向传播，将表面声波相干地散射至以第二方向通过触摸区传播的近-纵向-共振拉姆波中。在一些实施方案中，模式转换阵列可以包括多个沿着第一方向放置的反射器元件。多个反射器元件可以从玻璃粉、陶瓷、装载的聚合物和蚀刻的沟槽中的至少一种形成。在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以以相速度Vp通过触摸区传播；表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播；第一方向和第二方向可以限定散射角Φ ;模式转换阵列可以包括多个沿着第一方向放置的反射器元件，多个反射器元件中的每个反射器元件以相对于第一方向的反射器角〃放置；并且 cos( ^)/Vsaw = cos ( Θ - Φ)/νρο 在一些实施方案中，通过 S = n* (Vsaw//)/(1-(Vsaw/Vp)*cos(?))给出沿着第一方向的多个反射器元件中的两个连续反射器元件之间的距离S，其中η是正整数。
[0023]该方法的一些实施方案可以提供最小化触摸装置的分散。例如，产生电激发信号可以包括产生具有围绕工作频率/W频率扩展A 电激发信号。近-纵向-共振拉姆波可以以具有频率扩展Λ/β勺工作频率Zffi过基底的触摸区传播。
[0024]在一些实施方案中，该方法可以进一步包括将电激发信号传送至发送换能器之前，抵抗电激发信号分散，具有频率依赖性相位误差。频率依赖性相位误差可以用于补偿由近-纵向-共振拉姆波以频率扩展A Zffi过基底传播引起的近-纵向-共振拉姆波的分散。
[0025]在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波以群速度V\AMB通过基底传播，所述群速度根据不同的工作频率而改变；并且产生电激发信号可以包括产生具有作为不同工作频率函数的接近群速度点的工作频率电激发。另外地和/或替换地，产生电激发信号可以包括产生具有工作频率/W电激发，使得群速度V 具有频率扩展A Zft的低工作频率依赖性。在一些实施方案中，近-纵向共振拉姆波可以通过触摸区传播距离L ;近-纵向-共振拉姆波可以以群速度V\AMB传播；表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播；触摸区中的基底正面上的触摸可以限定距离AX;并且(νΜ/ν\ΑΜΒ)*|(1(1η(ν\ΑΜΒ)/(1(1η(/)) |可以小于或等于2* ( Δ X/L) /(//△/)。在一些实施方案中，近-纵向-共振拉姆波可以通过触摸区传播距离L ;近-纵向-共振拉姆波可以以群速度￥\_传播；表面声波可以以速度Vsaw在背面上传播；并且(VSAW/V\AMB) * I d (In (Vglamb) /d (In (/)) | 可以小于或等于 2* ( Δ X/L) / (f/A f) 0
[0026]该方法的一些实施方案可以使用高灵敏度拉姆波提供冗余触摸确定和/或触摸确定的特征。例如，电反馈信号可以表示包括从基底正面上的触摸产生的第二衰减同时作为近-剪切-共振拉姆波通过基底触摸区传播的声波。该方法可以进一步包括基于电反馈信号冗余地确定触摸的位置，所述电反馈信号表示包括近-纵向-共振拉姆波的衰减和触摸引起的触摸区中的近-剪切-共振拉姆波的第二衰减的声波。该方法可以进一步包括将电反馈信号表示的衰减的规模与电反馈信号表示的第二衰减的规模进行比较。
[0027]—些实施方案可以包括一个或多个用于执行本文中讨论的方法和/或其他功能性的机器，如装置和/或系统。例如，机器可以包括电路和/或一个或多个处理器和/或用于基于存储器和/或其他非暂时性计算机可读介质中存储的指令和/或其他数据执行本文中讨论的功能性的其他机器部件。
[0028]以下描述各个实施方案的这些特征以及其他特征、功能和详细内容。相似地，以下还讨论相应的和另外的实施方案。
【附图说明】
[0029]因此已经以一般术语描述了一些实施方案，现在将参考附图，其不必定是按比例绘制的，并且其中:
图1显示了根据一些实施方案的触摸传感器的简化横截面图的实例；
图2a和2b分别显示了根据一些实施方案的触摸传感器的实例基底的正面图和背面图；
图2c显示了根据一些实施方案的与横截面AA —起的图2a的触摸传感器；
图3显示了根据一些实施方案的实例触摸传感器设备的横截面视图；
图4显示了根据一些实施方案的作为基底厚度d和工作频率f函数的拉姆波相速度(Vp)的实例图； 图5a和5b显示了根据一些实施方案的实例表，其显示了针对拉姆波模式的实例截止厚度值；
图5c显示了根据一些实施方案的实例表，其显示了针对拉姆波模式的实例截止频率_厚度乘积值；
图6a、6b和6c显不了根据一些实施方案的基底中的实例拉姆波；
图7显示了根据一些实施方案的作为频率函数的拉姆波相速度(Vp)和群速度实例图；
图8显不了根据一些实施方案的基底中的实例Lam6波；
图9a和9b显示了根据一些实施方案的作为频率-厚度乘积的函数的拉姆波相速度(Vp)和群速度￥\_的实例图；
图10显示了根据一些实施方案的相对于表面声波，针对Lam6波计算的触摸灵敏度的表;
图11显示了根据一些实施方案的作为针对SO拉姆模式的频率-距离乘积的函数的拉姆波相速度(Vp)和群速度V^amb (在图11中也标为“Vg”)的图；
图12a显示了由表面声波引起的差频效应；
图12b显示了根据一些实施方案的包括抑制表面声波的差频效应的声学上有益的层的实例基底；
图13a显示了根据一些实施方案的用于传播近-剪切-共振拉姆波的基底的背面的平面图；
图13b显示了根据一些实施方案的包括冗余衰减信号的反馈信号的图；
图14显示了根据一些实施方案的包括具有任意轮廓形状和图形的基底的实例触摸传感器；
图15a显示了根据一些实施方案的XYU触摸传感器的基底的背面的平面图；
图15b和15c显示了根据一些实施方案的反射阵列(或模式转换阵列)的特写图；
图16a显示了根据一些实施方案的XYU触摸传感器的基底的背面的平面图；
图16b显示了根据一些实施方案的XYU触摸传感器的基底的背面的平面图；
图17a显示了根据一些实施方案的用于与盖板接合的触摸传感器的基底的正面的平面图；
图17b显示了根据一些实施方案的沿着横截面BB并且包括盖板的图17a的触摸传感器;
图18显示了根据一些实施方案的不包括反射阵列的基底的实例背面；
图19显示了根据一些实施方案的用于大的触摸传感器的基底的实例背面；
图20显示了根据一些实施方案进行的用于确定触摸位置的实例方法；和图21显示了根据一些实施方案配置的，用于触摸传感器的实例控制系统。
【具体实施方式】
[0030]下文将参考附图更全面地描述实施方案，其中显示了一些但不是全部本文中考虑的实施方案。实际上，各个实施方案可以以许多不同的形式来实施并且不应当解释为限于本文中所列的实施方案；相反，提供这些实施方案，使得本公开内容将满足适用法律的要求。在全文中，相同的数字表示相同的元件。
[0031]一些实施方案可以提供在触摸区中使用高灵敏度拉姆波(如近-纵向-共振拉姆波或近_Lam6波的触摸传感器。通常，传播给定功率的拉姆波的基底表面上的质点运动基本上低于相同功率的表面声波(SAW或Rayleigh波)的，导致拉姆波触摸灵敏度比SAW的触摸灵敏度低得多。常规想法是在所需的触摸区域中不使用SAW难以实现所需的触摸灵敏度。同样，一些无边SAW触摸屏设计(例如，只使用声波)可以在基底背侧放置换能器和反射阵列并且提供能够在背面(在那产生和收集SAW)和正面(例如，在那SAW在由触摸事件衰减的产生和收集之间穿过)之间转移SAW的正圆形基底边缘，如名称为“Bezel-less AcousticTouch Apparatus”的美国专利申请N0.2011/0234545中进一步详细描述的。这样的无边SAW触摸屏产品已经获得了商业成功，但制造成本高，因为正圆形基底边缘必须小心控制。此外，因为表面声波通过以下的正圆形基底边缘、其他元件(如图形和安装带)从基底的背面转移至正面并且从基底的正面转移至背面，可以抑制或降低这种类型的表面声波触摸系统的使用，而可以改为使用本发明的实施方案。
[0032]在本文中所述的特定条件下，拉姆波具有比正常预期的高得多的触摸灵敏度。此夕卜，一些实施方案可以给寄生信号提供低分散和/或降低的磁化率。因为拉姆波在基底的两侧(例如，与表面声波不同)都是触敏的，可以实现无边触摸传感器设计(例如，在将换能器和反射阵列放置在基底背面上的情况中)，而不需要基底包括正圆形基底连接边缘或连接部分。
[0033]通过使用高灵敏度拉姆波的各个实施方案认识到的其他实例(但非穷举性的)优势，可以包括用于更准确触摸传感的抗分散、较大的触摸传感器尺寸、多触摸方向(例如，XYU传感器)、较小的触摸传感器厚度、触摸传感器轮廓形状和/或工业设计中的灵活性、冗余触摸传感、触摸区分的性质。
[0034]图1显示了根据一些实施方案使用的实例触摸传感器100的简化横截面视图，但其中厚度d (例如，高度)相对于所示的长度是放大的。触摸传感器100可以包括基底105，声波换能器110 (或换能器110)和反射阵列115。触摸传感器100的基底105显示为具有正面120，反面125以及沿着基底105的周界连接正面120和背面125的连接表面130。正面120和背面125之间的距离，即连接表面130，可以限定基底105的厚度d。换能器110和反射阵列115可以放置在背面125上。
[0035]图2a和2b分别显示了根据一些实施方案使用的触摸传感器100的正面图和背面图。更具体地，图2a显示了触摸传感器100的正面120的平面图，而图2b显示了触摸传感器100的背面125的平面图。放置在背面125上的换能器110 (包括换能器110a、110b、IlOc和IlOd)和反射阵列115 (包括换能器115a、115b、115c和115d)在图2a中显示为虚线，以提供关于图2b的参照框，在图2b中是以实线显示换能器110的。为了提供更多参照框，图2a和2b中显示了坐标轴。
[0036]正面120可以包括触敏区205 (或触摸区205)，在其上面，物体135 (如图1中所示)可以形成接触事件或触摸事件。触摸区205可以限定为正面120的内部部分，其被认为是活动触摸区。图2a中的虚线内显示了触摸区205。物体135在图1中显示为手指，但通过触摸传感系统可以感知的触摸事件可以包括，例如，手指、触针或其他直接或间接通过盖板接触正面120的物体、抗反射涂层和/或任何其他合适的材料。在一些实施方案中，触摸区205可以对应于触摸传感器100的透明区，通过其使用者可以观察显示器(例如，放置在背面125的后面)并且为此可以确定触摸位置的X和Y坐标。在这点上，触摸传感器100可以耦合具有多种功能的控制系统或控制器，所述功